热处理工艺复习题及答案

热处理工艺复习题及答案一、填空题（每空1分，共20分）热处理是通过加热、______和______的方式，改变材料内部组织结构，从而改善材料性能的工艺方法。钢的热处理工艺曲线包括______、______、______三个阶段。根据加热温度和冷却方式的不同，钢的基本热处理工艺可分为______、______、______和______四大类。奥氏体形成过程可分为______、______、______、______四个阶段。淬火的目的是获得______组织，提高钢的______和______。回火按温度范围可分为______、______和______三种，其中______回火主要用于刀具、模具等零件。化学热处理的基本过程包括______、______和______三个阶段，常见的化学热处理工艺有______、______等。二、选择题（每题2分，共20分）下列哪种热处理工艺的目的是降低硬度、改善切削加工性能（）

A.淬火B.正火C.退火D.回火

钢的淬火加热温度一般选择在（）

A.Ac1以下B.Ac1～Ac3之间C.Ac3以上D.Ar1以下

对于w(C)＞0.77%的共析钢，其奥氏体化温度应选择（）

A.Ac1+30～50℃B.Ac3+30～50℃C.Accm+30～50℃D.任意温度淬火冷却时，下列哪种冷却介质的冷却速度最快（）

A.油B.水C.盐水D.空气

回火时，钢的组织转变顺序是（）

A.马氏体→回火马氏体→托氏体→索氏体

B.马氏体→托氏体→回火马氏体→索氏体

C.马氏体→回火马氏体→索氏体→托氏体

D.马氏体→索氏体→托氏体→回火马氏体

下列哪种回火工艺得到的组织是回火索氏体（）

A.150～250℃B.350～500℃C.500～650℃D.650～750℃

化学热处理与其他热处理方法的主要区别是（）

A.加热温度不同B.冷却方式不同C.改变材料化学成分D.改变材料组织结构渗碳工艺中，渗碳层的含碳量一般控制在（）

A.0.1%～0.2%B.0.8%～1.2%C.1.5%～2.0%D.2.0%以上

对于承受冲击载荷的零件，如齿轮、轴等，通常采用的热处理工艺是（）

A.淬火+低温回火B.淬火+中温回火C.淬火+高温回火D.正火

下列哪种因素不会影响钢的奥氏体化速度（）

A.加热温度B.保温时间C.钢的化学成分D.冷却速度

三、判断题（每题1分，共10分，对的打“√”，错的打“×”）退火和正火的主要区别在于冷却方式不同，退火是随炉冷却，正火是空气中冷却。（）钢的含碳量越高，奥氏体化温度越高。（）淬火后的钢必须进行回火处理，否则会导致零件脆性增大，易开裂。（）回火温度越高，钢的硬度下降越明显，韧性和塑性提高越显著。（）渗氮工艺的加热温度比渗碳工艺低，因此渗氮后零件的变形更小。（）奥氏体是碳在α-Fe中的间隙固溶体。（）马氏体的硬度主要取决于淬火冷却速度。（）正火可以作为最终热处理，用于要求不高的零件。（）化学热处理过程中，渗剂的选择只影响渗层的化学成分，不影响渗层深度。（）对于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，应选择油冷或分级淬火，以减少变形和开裂。（）四、简答题（每题5分，共30分）简述退火的定义、目的及常用工艺类型。比较正火与退火的异同点及应用场合。什么是淬火临界冷却速度？它对钢的淬火质量有何影响？简述回火的目的及不同回火温度对应的组织和性能特点。渗碳和渗氮工艺在加热温度、渗层成分、性能特点及应用上有何区别？影响钢热处理质量的主要因素有哪些？如何保证热处理质量？五、综合分析题（每题10分，共20分）某机床主轴材料为45钢，要求具有良好的综合力学性能，即高强度、高韧性和一定的硬度（220～250HBW）。请制定合理的热处理工艺路线，并说明各工艺的目的及获得的组织。某汽车变速箱齿轮，材料为20CrMnTi，要求齿面硬度高（58～62HRC）、耐磨性好，心部具有良好的韧性和强度。请分析应采用何种热处理工艺，并说明工艺过程、各阶段的组织转变及最终获得的组织和性能。----------------------------------------------------------答案分割线----------------------------------------------------------一、填空题答案保温；冷却加热；保温；冷却退火；正火；淬火；回火奥氏体形核；奥氏体长大；残余渗碳体溶解；奥氏体均匀化马氏体；硬度；强度低温回火；中温回火；高温回火；低温分解；吸收；扩散；渗碳；渗氮（或碳氮共渗、渗硼等）二、选择题答案C解析：退火的主要目的之一是降低硬度，改善切削加工性能；正火也可改善加工性能，但降低硬度的效果不如退火显著；淬火会提高硬度；回火是降低淬火钢的脆性。C解析：钢的淬火加热温度一般选择在Ac3以上（亚共析钢）或Ac1以上（共析、过共析钢），以保证完全奥氏体化，获得均匀的马氏体组织。A解析：共析钢和过共析钢的奥氏体化温度选择在Ac1+30～50℃，可避免奥氏体晶粒过大，同时减少残余渗碳体的溶解；亚共析钢选择在Ac3+30～50℃。C解析：冷却介质的冷却速度排序为：盐水＞水＞油＞空气，盐水的冷却速度最快，能保证钢快速过冷至马氏体转变温度。A解析：回火时，马氏体首先分解为回火马氏体，随着温度升高，进一步转变为托氏体，最后转变为索氏体。C解析：低温回火（150～250℃）获得回火马氏体；中温回火（350～500℃）获得托氏体；高温回火（500～650℃）获得回火索氏体。C解析：化学热处理的特点是改变材料表面的化学成分，同时改变组织结构；其他热处理方法仅改变组织结构，不改变化学成分。B解析：渗碳层的含碳量一般控制在0.8%～1.2%，此含碳量范围的钢淬火后硬度高、耐磨性好。C解析：淬火+高温回火称为调质处理，可获得良好的综合力学性能，适用于承受冲击载荷的零件。D解析：冷却速度影响的是马氏体转变的完整性，不影响奥氏体化速度；加热温度、保温时间、钢的化学成分均会影响奥氏体化速度。三、判断题答案√解析：退火和正火的加热温度相近，主要区别是冷却方式，退火随炉冷却，冷却速度慢；正火空气中冷却，冷却速度较快。×解析：钢的含碳量越高，Ac1和Ac3温度越低，奥氏体化温度越低。√解析：淬火后的钢存在较大的内应力，脆性大，必须进行回火，以消除内应力、降低脆性、调整性能。√解析：回火温度越高，马氏体分解越充分，碳化物析出越明显，硬度下降越显著，同时韧性和塑性不断提高。√解析：渗氮加热温度（500～600℃）远低于渗碳温度（900～950℃），因此渗氮后零件的变形更小，尺寸精度更高。×解析：奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体；碳在α-Fe中的间隙固溶体是铁素体。×解析：马氏体的硬度主要取决于含碳量，含碳量越高，马氏体硬度越高；冷却速度影响的是马氏体的转变量。√解析：正火可作为最终热处理，用于要求不高的零件，如齿轮、轴等，能保证一定的强度和韧性。×解析：渗剂的选择不仅影响渗层化学成分，还影响渗层深度和渗速，不同渗剂的活性不同，对渗层形成的影响不同。√解析：形状复杂、尺寸精度要求高的零件，采用油冷或分级淬火可降低冷却速度，减少内应力，从而减少变形和开裂。四、简答题答案答：（1）定义：退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间后，缓慢冷却（通常随炉冷却）的热处理工艺。

（2）目的：①降低硬度，改善切削加工性能；②消除内应力，稳定尺寸，防止变形和开裂；③细化晶粒，改善组织结构，提高材料的韧性和塑性；④消除铸造、锻造或焊接等工艺产生的组织缺陷。

（3）常用工艺类型：①完全退火；②球化退火；③去应力退火；④扩散退火。答：（1）相同点：①加热温度相近，均需加热到奥氏体区；②目的均包括改善组织结构、调整性能、改善加工性能。

（2）不同点：①冷却方式不同：退火随炉冷却，冷却速度慢；正火空气中冷却，冷却速度较快；②获得的组织不同：退火获得珠光体（或球化体、铁素体），晶粒较粗大；正火获得细珠光体（索氏体），晶粒更细小；③性能不同：正火后的钢强度、硬度比退火略高，韧性和塑性相近；④生产周期不同：正火冷却速度快，生产周期短，成本低。

（3）应用场合：①退火适用于：形状复杂、尺寸精度要求高的零件，需降低硬度改善切削加工性能的零件，消除内应力的零件，以及中低碳钢的预先热处理；②正火适用于：作为低碳钢、中碳钢的预先热处理或最终热处理，改善过共析钢的网状渗碳体，提高钢的强度和硬度，缩短生产周期。答：（1）淬火临界冷却速度（Vk）：是指钢在淬火冷却过程中，为获得全部马氏体组织，所需的最小冷却速度。

（2）影响：①若实际冷却速度大于Vk，钢可完全转变为马氏体，获得高硬度、高强度的性能；②若实际冷却速度小于Vk，钢中会出现珠光体、托氏体等非马氏体组织，导致硬度、强度达不到要求；③Vk越小，钢的淬透性越好，越容易获得马氏体组织，适用于形状复杂、截面较大的零件；Vk越大，钢的淬透性越差，仅适用于截面较小、形状简单的零件。答：（1）回火目的：①消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止零件开裂；②调整钢的硬度、强度、韧性和塑性，获得所需的综合力学性能；③稳定钢的组织结构和尺寸，避免使用过程中变形。

（2）不同回火温度的组织和性能：①低温回火（150～250℃）：组织为回火马氏体；性能特点是硬度高（58～64HRC）、耐磨性好，韧性有所提高，内应力显著降低；适用于刀具、模具、滚动轴承等。②中温回火（350～500℃）：组织为托氏体；性能特点是具有较高的弹性极限和屈服强度，韧性和塑性较好；适用于弹簧、发条等。③高温回火（500～650℃）：组织为回火索氏体；性能特点是具有良好的综合力学性能（高强度、高韧性、一定的塑性）；适用于轴、齿轮、连杆等承受冲击载荷的零件。答：（1）加热温度：渗碳900～950℃；渗氮500～600℃。

（2）渗层成分：渗碳层主要为高碳奥氏体（淬火后为马氏体）；渗氮层主要为氮化物（如FeN、Fe2N等）。

（3）性能特点：渗碳后表面硬度高、耐磨性好，心部韧性好；渗氮后表面硬度更高（60～65HRC）、耐磨性和耐腐蚀性更好，变形更小。

（4）应用：渗碳适用于承受冲击载荷、表面需要耐磨的中低碳钢零件，如齿轮、轴、活塞销等；渗氮适用于要求高精度、高耐磨性和耐腐蚀性的零件，如精密机床主轴、发动机曲轴、阀门等。答：（1）主要影响因素：①材料化学成分：含碳量和合金元素种类及含量影响钢的淬透性、奥氏体化温度和组织转变；②加热工艺：加热温度、保温时间和加热速度影响奥氏体化的充分性和晶粒大小；③冷却工艺：冷却介质和冷却速度影响马氏体转变的完整性和内应力大小；④零件形状和尺寸：影响冷却均匀性，易产生变形和开裂；⑤热处理设备：设备的精度、温度控制能力影响加热和冷却的均匀性。

（2）保证热处理质量的措施：①合理选择材料，根据零件性能要求确定钢的牌号；②制定合理的热处理工艺参数（加热温度、保温时间、冷却方式）；③保证加热均匀，避免局部过热或过烧；④选择合适的冷却介质，控制冷却速度，对于复杂零件采用分级淬火、等温淬火等方法；⑤加强热处理过程的质量检测，如硬度检测、金相组织分析；⑥对热处理后的零件进行必要的校直和精加工。五、综合分析题答案答：（1）热处理工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→精加工。

（2）各工艺目的及组织：①正火：目的是细化晶粒，消除锻造应力，改善切削加工性能；获得细珠光体（索氏体）组织。②淬火：目的是获得马氏体组织，提高钢的硬度和强度；加热温度为Ac3+30～50℃（45钢Ac3约为780℃，故加热温度取810～830℃），保温后水淬或油淬，获得马氏体组织。③高温回火：目的是消除淬火内应力，获得良好的综合力学性能（高强度、高韧性、一定的硬度）；加热温度为500～650℃，保温后空冷，获得回火索氏体组织，硬度可达到220～250HBW，满足主轴的性能要求。

（3）说明：45钢为中碳钢，调质处理是其获得综合力学性能的常用工艺，通过正火作为预先热处理，可改善粗加工性能，为后续调质处理奠定良好的组织基础。答：（1）采用的热处理工艺：渗碳→淬火→低温回火。

（2）工艺过程及组织转变：①渗碳：将20CrMnTi齿轮放入渗碳炉中，加热至900～950℃，通入渗碳介质（如天然气、煤油），保温一定时间，使碳原子渗入齿轮表面，形成含碳量0.8%～1.2%的渗碳层；此时心部为低碳奥氏体，表面为高碳奥氏体。②淬火：渗碳后直接降温至Ac1+30～50℃（约820～840℃），保温后油淬；表面高碳奥氏体转变为马氏体，心部低碳奥氏体转变为低碳马氏体（或少量铁素体）。③低温